（机械电子工程专业论文）基于模态状态空间法的硬盘传动系统动力学建模与动态响应分析.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 计算机技术已经广泛地应用于社会生活的各个领域，作为计算机系统的外部存储设备， 硬盘驱动器( h a r dd i s kd r i v e ，简称硬盘) 技术取得了迅速的发展。随着硬盘容量和磁盘转速 的不断提升，对硬盘驱动器的读写精度和可靠性提出了更高的要求，因此对硬盘驱动器的 动态性能的研究显得越来越突出，尤其是其振动特性已经成为硬盘设计的最重要的技术指 标之一。 为了改善和提高硬盘抗冲击振动的能力，有必要分析硬盘的结构动力学特性，特别是 硬盘传动系统的振动特性，从而找到影响硬盘抗冲击振动性能的结构因素。本文首先引入 状态空间的理论，综合模态分析与状态空间法的优势，通过对单自由度系统和三自由度系 统振动方程的分析，得到了一种基于模态状态空间法的研究多自由度系统结构动力学问题 的方法。对于复杂结构的动力学问题，我们需要借助计算机分析软件a n s y s 和m a t l a b 来进行分析仿真。首先对经常研究的悬臂梁模型，利用有限元分析软件a n s y s 建立悬臂 梁的有限元模型，通过对悬臂梁模型的模态分析，得到了对结构分析设计有重要意义的固 有频率和振型。在实际应用中，用简化的低阶模型进行系统的分析和设计不但可以减少计 算时间和降低控制系统设计的复杂性，还能够对原系统模型的动态性能有更深刻的了解和 认识。因此，在对悬臂梁全阶模型动态响应分析的同时，又对悬臂梁模型进行了降阶分析， 首先对比例阻尼系统各阶模态的如增益排序，再选取前几阶重要模态，得到了简化的悬臂 梁降阶模型，通过对全阶模型和降阶模型的动态响应的比较，验证了该方法在降低模型阶 次的同时可以保证分析的准确性。之后又对复杂的硬盘传动系统的动力学建模、模型降阶 与动态响应等问题进行了分析。同样利用a n s y s 软件建立有限元模型，模态分析得到了 固有频率和振型。利用模态分析的特征值和特征向量建立状态空间模型，用m a t l a b 软 件对传动系统模型的各阶模态的相对重要性进行排序，通过模型降阶得到包含8 阶模态的 降阶模型，分别对包含5 0 阶模态的全阶模型和包含8 阶模念的降阶模型的动态响应分析结 果表明，降阶模型在简化分析计算的同时仍能保持系统总体动态响应的准确性。最后还分 析了平衡降阶方法并与如增益排序方法进行了对比，平衡降阶法计算较复杂但分析结果更 精确。 关键词：硬盘，模态分析，状态空间，动力学建模，比增益，降阶模型，动态响应 山东建筑大学硕士学位论文 d y n a m i cm o d e l i n ga n dd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h eh e a d a c t u a t o ra s s e m b l yo fh a r dd i s kd r i v eb a s e do n m o d a ls t a t es p a c em e t h o d d uy u n d o n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys h ib a o j u n a b s t r a c t t h et e c h n o l o g ie so fc o m p u t e r sh a v eb e e nu s e di nm o s tf i e l d so ft h es o c i e t y a st h es t o r a g e d e v i c e ，t h eh a r dd i s kd r i v e ( h d d ) t e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e m a g n e t i cr e c o r d i n ga r e ad e n s i t ya n dt h er o t a t es p e e d ，i tr e q u i r e sh i g h e rr e a d - w r i t ep r e c i s i o na n d r e l i a b i l i t y t h es t u d yt ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh d d b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a m o n gt h e s e ，t h es h o c kr e s i s t a n c eo ft h ee l a b o r a t ep a r t si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tg u i d e l i n ei n t h ed e s i g no fh d d t oi m p r o v ea n da d v a n c et h es h o c kr e s i s t a n c e ，i ti se s s e n t i a lt oa n a l y z et h es t r u c t u r ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh d d ，e s p e c i a l l yt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a t o rs y s t e mo fh d d ， c o n s e q u e n t l yf i n dt h er e a s o nt oa f f e c ts h o c kr e s i s t a n c eo fh d d t h i sp a p e rf i r s tb e g i n sw i t ha b r i e fi n w o d u c t i o no ft h em o d a la n a l y s i sa n ds t a t es p a c et h e o r y , a n dc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so f t h e m b ya n a l y z i n gas i n g l ed e g r e eo ff r e e d o m ( d o f ) a n dt h r e e - d o fs y s t e m ，am e t h o di sp r o p o s e d t os t u d ys t r u c t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t d o fs y s t e mb a s e do nm o d a ls t a t es p a c em e t h o d f o rt h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r ed y n a m i cp r o b l e m s ，t h ec o m p u t e rs o f t w a r ea n s y sa n dm a t l a b i su s e f u lt oa n a l y z ea n ds i m u l a t e f i r s tf o rt h ec a n t i l e v e rb e a mw h i c hi so f t e ns t u d i e d ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lw i l lb eb u i l tb ya n s y ss o f t w a r e t h en e x ts t e pi ss o l v i n gt h ee i g e n v a l u ep r o b l e m ， y i e l d i n ge i g e n v a l u e s ( n a t u r a lf r e q u e n c i e s ) a n de i g e n v e c t o r s ( m o d es h a p e s ) t h i si st h em o s t i n t u i t i v ep a r to ft h ep r o b l e ma n dg i v e so n ec o n s i d e r a b l ei n s i g h ti n t ot h ed y n a m i c so ft h es t r u c t u r e b yu n d e r s t a n d i n gt h em o d es h a p e sa n dn a t u r a lf r e q u e n c i e s i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ea n a l y s i s a n dd e s i g no ft h es y s t e mu s i n gr e d u c e dm o d e lc o u l dn o to n l yd e c r e a s et h ec a l c u l a t et i m ea n d d e s i g nc o m p l e x i t yo fc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s op r o v i d ec o n s i d e r a b l ei n s i g h ti n t ot h eo r i g i n a l s y s t e md y n a m i c s s oa f t e ra n a l y z i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s e so ff u l lm o d e l ，r e d u c et h es i z eo f m o d e l ( m o d e lr e d u c t i o n ) f i r s tr a r l kd cg a i no fe a c hm o d eo fp r o p o r t i o n a ld a m p i n gs y s t e m ，t h e n i l 山东建筑大学硕士学位论文 c o n t a i ns o m er e l a t i v ei m p o r t a n tm o d e so fv i b r a t i o nt og e tt h ec a n t i l e v e rb e a mr e d u c e dm o d e l b y c o m p a r i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s e so ff u l lm o d e la n dr e d u c t i o nm o d e l ，t h ea c c u r a c yo ft h i sm e t h o d i sp r o v e dw h i l er e d u c i n gm o d e lo r d e r s t h e nt h ed y n a m i cm o d e l i n g ，m o d e lr e d u c t i o na n d d y n a m i cr e s p o n s e so fc o m p l i c a t e da c t u a t o rs y s t e mo fh d da r ep e r f o r m e d t h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lw i l lb ea l s ob u i l tb ya n s y ss o f t w a r e ，t h em o d a la n a l y s i si sp e r f o r m e dt og e tr e s o n a n t f r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s t h es t a t es p a c em o d e lw i l lb eb u i l ti nt e r m so ft h ee i g e n v a l u e sa n d e i g e n v e c t o r s ，a n dr e d u c et h em o d e lt oi n c l u d i n g8m o d e so fv i b r a t i o nb yr a n k i n gr e l a t i v e i m p o r t a n to fe a c hm o d et oo v e r a l lr e s p o n s e i ti ss h o w nt h a tu s i n gt h er e d u c e dm o d e lc a n s i m p l i f yt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o np r o c e s sw h i l ek e e pi t sa c c u r a c yf o rs t r u c t u r ed y n a m i c r e s p o n s e sb yc o m p a r i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ff u l lm o d e li n c l u d i n g5 0m o d e sw i t h r e d u c e dm o d e li n c l u d i n g8m o d e s a tl a s tb a l a n c e dr e d u c t i o nm e t h o di si n t r o d u c e di n t ot h e a c t u a t o rs y s t e mm o d e lo fh d d ，a n dc o m p a r e dw i t hs o r t e dd cg a i nm e t h o d t h eb a la n c e d r e d u c t i o nm e t h o di sm o r ec o m p l i c a t e di nc a l c u l a t i n gb u tt h ea n a l y s i sr e s u l t sa r em o r ep r e c i s e k e yw o r d s ：h a r dd i s kd r i v e ，m o d a la n a l y s i s ，s t a t es p a c e ，d y n a m i cm o d e l i n g ，d cg a i n ， r e d u c t i o nm o d e l ，d y n a m i cr e s p o n s e s i l l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过 的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 奉亟血日期幽：笸：臼 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、；1 2 编学位论 文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签名： 山东建筑大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机技术已经广泛地应用于社会生活的各个领域，作为计算机系统的外部存储设备， 硬盘驱动器( h a r dd i s kd r i v e ) 已不仅仅被用在个人电脑和服务器领域，其用途已经开始普及 到便携设备和消费电子产品等领域【1 1 。硬盘作为计算机系统中的一个机械部件，是一个高 精密的机电一体化产品，其性能好坏直接影响着计算机的整体性能，因此硬盘技术的发展 成为推动计算机发展的主要动力之一。 1 1 硬盘技术的发展现状 硬盘是计算机系统中的重要部件，是计算机系统中信息永久存储或半永久存储的海量 存储设备之一，硬盘担负着与内存互通信息的任务，在计算机的存储设备中使用率最高。 因此，训算机硬盘的质量好坏和功能强弱，直接影响着计算机系统运行速度的快慢和执行 软件的能力。 1 1 1 硬盘驱动器磁头盘系统的发展历史与研究现状 磁记录技术现在已经广泛应用于各种数扼的存储，例如：音频、视频以及数字数据， 并且磁记录技术已经逐渐成为数字信息存储的主要方式。而在磁记录应用的初期，它主要 是应用于在磁带上记录模拟音频，直到1 9 5 6 年i b m 公司生产出世界上第一个磁盘驱动器 i b m 3 5 0 r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do f a c c o u n t i n ga n dc o n t r 0 1 ) ，这是计算机数据存储的 里程碑【2 1 。这一硬盘驱动器包括5 0 个磁盘，磁盘直径均为6 0 0 m m ，整个磁盘文件的容量大 约是4 4 m b ，而且磁记录密度还不到2 k b 岔。 1 9 6 8 年i b m 公司首次提出“w i n c h e s t e r ( 温彻斯特) 技术，探讨对硬盘技术做重大改 革的可能性。1 9 7 3 年，i b m 公司发明并制造出第一台采用“w i n c h e s t e r 技术的硬盘( 亦 称温盘) i b m 3 3 4 0 。这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂有磁性材料。它们和可 以移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化，这种 技术就是现今硬盘的结构基础，璐m 公司叫它做温彻斯特硬盘，今天高端硬盘容量虽然高 达上百g b ，但它却仍然没有脱离温彻斯特 的动作模式【3 】 引。 自从二十世纪九十年代出现磁阻磁头( m r ) 以及巨型磁阻磁头( g m r ) 之后，磁盘的磁 记录密度以每年1 2 5 的速度增长，目前磁记录密度已经达到了1 0 0 g b i n 2 。与此同时，磁 盘的尺寸逐渐缩小，目前台式机磁盘的尺寸大约是9 5 m m ，笔记本电脑的磁盘尺寸只有 2 5 m m 或者2 1 m m 。而且浮动块的飞行高度( 头盘间隙) 也从二十世纪五十年代的2 0 u m 降 至目前的不足1 0 n r n 。图1 1 【5 1 显示了硬盘容量近几年的发展历史。现在的硬盘存储密度更 山东建筑大学硕士学位论文 是达到了每平方英寸数百个g b 以上的存储密度，主轴转速也在不断的提高，硬盘的尺寸 也向着微型化的方向发展，微硬盘的需求量明显增大。 | 们伽 ：黜型一，霪p | r 、，二h d d road：麓map三 弦 帝警“， 1 o - d1tv j ，审：，。 ；。 - 一 i _ 。一：。， 。 0 g50 t9 1口q 9i 0 0 c c j0 i c 一 0 50 6 a v 8 j 1 8 b i i i t vv e a r r ，r ，t _ 一t 臣1 1 硬盘容量的发展 如何满足计算机对硬盘高存储容量的要求? 国内外许多学者对这一司题进行了广泛 而深入的研究，在过去的几 年里，各国学者设计出了各种娄型的磁头气膜支承面结构以 满足系统的不同性能要求。 同外对碰头磁盘系统的研究丌始较早，始于上世纪7 0 年代传统硬盘川守气作为涧滑 介质基于滑流修正润滑模型和气膜压强分椰的数值仿真，人1 r 对磁头磁盘系统的静力学 特性进行丁许多研究。1 9 8 8 年，f u k u i 和k 矗n e k 6 】分析了超薄气膜润滑特性；1 9 9 0 年，r u i z 和b o g y r 系统地对硬盅存储器中的碰头、磁盘组件包括磁头悬臂、磁头和气膜承教进行了 仿真研究，这是关于磁头、磁盘系统的个较全而的仿真分析。 对于磁头磁盘系统气膜浮动块的动力学分析，求解气膜的动特性参数( 如刚度系数和阻 尼系数) 很有必要，因为气膜的性质限制了系统的自然频室并且对决定和控制振幅的峰值有 重要影响。1 9 7 1 年t a n g 8 均系统进行了动力学仿真，在时域内求解了浮动块运动方程和 气体润滑方程。1 9 9 3 年j e o n g 和b o g y 9 1 对硬盘的动态负载情况作了仿真，在仿真中考虑了磁 头和磁盘的接触情况。2 0 0 1 年，r u n h a nw a n g t o l 通过实验的方法考察了磁头、磁盘系统在 起b 畋近接触区以及接触区的动力学性能。 随着对硬盘的存储性能要求越来越高，人们丌始研究存储密度达到1 0 g b ，l 一，浮动块 山东建筑大学硕士学位论文 飞行高度低于2 5 n m 的超低飞高浮动块。1 9 9 5 年，s h al u 和y o n gh u 将满足几何约束和参数 约束条件下，磁头在整个记录区稳态飞高波动最小作为设计目标，研究了超低飞高浮动块 的形状优化设计【1 1 】。1 9 9 5 年，m a 钍h e w 和b o g y 将这两种方法用于磁头浮动块的优化设计， 求解了2 维和5 维优化问题，模拟退火法和遗传算法的共同特点是都不需要通过计算梯度来 确定搜索方向【e 】，以上优化设计基本都是考虑系统静态运行时的飞行特性，以稳态运行时的 性能最优作为目标函数，没有考虑系统的动力学特性。 通过近二十年的不断努力，我国科研工作者开展了对整个系统建模到系统静动态性 能分析，以及系统结构设计等领域的一系列研究工作，并且取得了重大成果 1 3 】- 【15 1 ，傅仙罗 【16 】早在上世纪8 0 年代就开始研究气膜浮动块的气动力特性，并对雷诺公式进行修正。东南 大学的庄萍【17 】对头盘徊j 距在2 5 n m 的磁头盘系统的静态动态特性进行了研究与探讨，山东建 筑大学的史宝军教授【1 8 】- f 2 0 】则对头盘间隙很小的磁头盘系统的运动以及悬臂系统的振动、抗 冲击性能进行了深入的研究2 1 】【2 2 1 。山东建筑大学的史宝军教授的这些成果为进一步深入地 开展磁头盘系统领域的研究奠定了坚实的理论基础。 1 1 2 硬盘驱动器振动特性的研究现状， 硬盘主要由控制电路和机械部件组成。机械部件是硬盘读写的核心部件，由主轴电机 ( s p i n d l em o t o r ) 、磁盘片( p l a t t e r d i s k ) 、磁头浮动块( h e a ds l i d e r ) 、悬臂( s u s p e n s i o n ) 、传动 臂( a c t u a t o ra r m ) 、驱动器( a c t u a t o r ) 等组成( 如图1 2 所示) 。 主轴电机 磁头 图1 2 硬盘驱动器内部结构示意图 盘旋转方向 硬盘工作时，磁盘主轴电机带动磁盘旋转，高速旋转的磁盘在盘面与磁头间形成一定 山东建筑大学硕士学位论文 厚度的空气膜，气膜产生的轴承效应( 支承力) 将磁头托起，除气膜支承力外，磁头还受到 悬臂预置载荷、自身重力的作用，并在这三个力的综合作用下滑行于磁盘的上方。当今， 硬盘的读写驱动系统采用回旋驱动方式，即伺服机构( s e r v os y s t e m ) 驱动磁头沿磁盘的径向 寻道定位，实现对磁盘的搜索读写。硬盘处于稳定工作状态时，头盘间隙保持在一个相对 稳定的范围内；而当硬盘受到振动或冲击时，磁盘、浮动块、悬臂、传动臂等机械部件都 会发生不同程度的振颤，引起气膜性能的改变，造成磁头与磁盘的碰撞和损坏。硬盘是一 个精密的微机电系统，其独特的工作方式及部件结构的复杂性就决定了其对冲击振动非常 敏感。 众所周知，美国的希捷和迈拓、日本的日立、韩国的三星等国外公司在硬盘研究中充 当了领导者的角色，推动了硬盘向高性能、微型化、低能耗的方向发展。随着硬盘在笔记 本电脑和便携式电子产品中的广泛使用，经常出现因操作不当或跌落等因素导致硬盘的损 坏，硬盘的安全性显得越来赵突出。这就促进了硬盘的数据保护技术及抗振技术的发展和 不断更新。国外对硬盘的保护工作主要集中于提高其抗冲击振动性能，即在振动时保护正 在读写的数据。 另外，硬盘抗冲击振动性能的研究也引起了很多大学和研究机构的重视，纷纷开展了硬 盘驱动器在冲击振动下的响应和动力学特性研究，探索硬盘的振动特性，为硬盘的设计和 控制提供理论依据和技术支持。 马里兰大学的研究者 2 3 】提出传动臂结构共振模态是影响硬盘驱动器伺服系统性能的主 要原因，他们通过理论分析和试验相结合的方法，研究了传动臂结构与摆动模态的关系。 z e n g 等【卅利用简化的传动臂模型研究了其寻道时的剩余振动，他们发现剩余振动很大程度 上取决于冲击激励脓冲的波形和周期。k u m a r 等2 5 】贝0 研究了外部激励形式对硬盘结构响应 的影响，他们将冲击激励近似看作半正弦脉冲，发现磁盘损坏的程度很大程度上取决于振 动脉冲的强度和脉宽，而且窄脉宽振动导致的破坏比宽脉宽要大得多。a l l e n 和b o g y 2 6 设 计了一个振动检测设备来检测高强度和短周期的振动。他们研究发现，由于磁盘振动的强 度和频率取决于材料的特性，磁盘潜在的损坏也就受到这些特性的影响。i s h i m a r u t 2 7 3 进一步 指出，增大磁盘刚度、增大预置载荷、减小头盘系统的等效质量，都能提高磁头盘系统的 抗冲击振动性能。 很多学者认为，由于硬盘的力学性能非常复杂，应该从整体上去分析硬盘的冲击振动 特性2 8 】【2 9 1 。e d w a r d s l 3 q 对硬盘整体进行了坠落碰撞的研究，他的试验证实，下坠高度和表 面接触刚度对硬盘接受到的冲击强度和脉宽有影响，同时他们得到了硬盘在冲击载荷作用 山东建筑大学硕士学位论文 下磁头的位移和冲击载荷的关系曲线。j a y s o n 等1 则研究了平稳下坠和旋转下坠两种坠落 碰撞模式，分析了直线冲击和旋转冲击r 硬盘的i 瞬动态响应以及它们的相互关系。 在硬盘抗一击振动性能的改善方面研究者还提出了许多新技术和修改方策。h a n ”- 等提出的瞬时信号处理技术从根1 4 j _ 描示了悬臂的振蓟和碰头的“起落”现象以及振动的 传播特性。k o u h e l 等通过在浮动块上箭安装一个“起停”装置来降低。倾斜恁度和 越撞 速度。l e e 等f ”谩计了一个安装在传动臂上的动力吸收器柬帮助控制传动臂的振动强度； 硬盘被提到的烈多的需求就是增大容量，在技术层面分析，虬型的提高硬箍性能的两 个手段就是提高磁l a 录密度和提高主辅电机转速。硬盘的发展趋势是：磁盘存储密度更高， 转速更他醛盘部件更小。 1 2 硬盘的王要结构和工作原理 自从1 9 5 6 年世界上制造出第台磁盘机到现在已经历了儿代。磁黜技术随着计算机技 术的发展旆不断发艘，硬盘技术的发展大致可分为如阶段：f 1 ) 拍j 的固定头式硬盘机： ( 2 ) 活动头、【舌】定盘式硬盘机：( 3 ) 活动头、可按捅式硬盘机：( 4 ) 湍氏硬盘机l 活动头、匠定 盘) 。 1 2 1 硬盘的典型结构与组成 碗7 驱动器种娄欺多，但在电路上和结构上均大同小异。图1 3 所示即为现代典型的 硬盘驰动貅温切斯特f w e r i c h e s t e r l 硬盘驰动器的整体结构_ s 。 臣i 一3 硬盘驱动器内部结构暑物图 硬盘驰动嚣土要山四大部分组成，即磁头碰盘组件( h e a dd i s ka s s e m b l yh d a ) 制电路板( p n m e dc i r c u i tb o a r da s s e r n b l y - - p c b a j 、外壳接口、面板及其他附件。图 为硬盅内部组成图”。 山东建筑丈学硕士学位论文 剧】4 硬盘自d ：组威 砸盘驰动器是将磁头、盘片密封存个腔体巾以避免外界叛尘及其它杂物影响磁头 和磁盘r ? 正常 作。磁头盘组件主要包含以下儿个部分： ( 1 - 磁头组件( h a a ) ：磁头组们由读写磁i 、梳形结构的悬悔、连结碰头线圈的挠性扁 电缕等三部分组成。读写磁头与磁盘lf 表而的非接触式运动来进1 = 亍砸盘数据的读耳t ( 和存 储。磁头的作用就类似于在醺盘磁盘体上进行读写的“笔尖，通过全封闭式的磁 且感应 1 i 写将信息。e “! 在硬盘内部特殊的介质上， ( 2 j 磁罗、1 动机构( h e a da c t u a t o r j 磁头传动机构由音幽电机和磁头驰动小车组成，新 型大量硬盘还具有高投的防振动机构。高精度的轻型磁头1 动机构能够对磁头进行正确的 驰动和定位，并能在很短的时浏内精确芷位系统指夸指定的碰逆。 ( 3 ) 盘片及其驱动机构。p l a t t e r sa n ds p i n d l e ) 精h 足硬蛊存储数据的载体。硬盘的盘体 瞰多个重叠在一起声d 毕圈隅丁_ _ 的盘片组成盘片芷表而极为平整光滑且涂有磁性物质的 金属圆片。盘片驱动机构都采削直流无刷t l t j l 盘片直接装在直流电机的轴上，免去了传 动系统带来的误差，也使体积小型化。 ( 4 ) 硬盘控制电路博扮为了提高硬盘的读写- 一j 靠性，磁头电路及读出伊号驰置放大措 要尽量靠近碰头，侧此在很多产品的磁头盘组件山都有专门叠装硬盘读写专用集成电路能 小型印制电蹄组件，或直接将器件耍装在连结磁头的挠性电缆上。大多数中低档硬盘的电 路集中在一块印制电路板上，它由以下几部分构成：谈写电路控制娃头进行读写操作。磁 山东建筑大学硕士学位论文 头驱动电路控制寻道电机，使磁头定位。主轴调速电路控制主轴电机带动盘体以恒定速率 转动。 1 2 2 硬盘驱动器的工作原理 温氏硬盘驱动器工作在一个净化等级为c l a s s1 0 0 以上的密封环境里，以保证磁头与盘 片之间的间隙为纳米级时，不产生划盘的危险。不工作时，各磁头是轻轻地靠在位于盘片 中央或者专门的起停区，这个位置不存放数据。当要从硬盘读写数据时，硬盘中的盘片在 电机的带动下开始旋转，它会带动磁盘片旋转使磁盘片表面产生气流，而使得磁头浮动块 上的空气轴承表面( a i rb e a r i n gs u r f a c e ) 产生空气轴承作用而将磁头撑高( 飞行) ，当它到达 所设计的转速时，马达持续旋转所产生的空气浮力就会让磁头浮动块以固定的高度飞行于 磁盘表面。由于硬盘的磁头是固定在磁头传动臂( a r m ) 上，因此磁头的移动在磁盘片表面 上只在磁道与磁道( t r a c kt ot r a c k ) 之间变动，也就是说磁头的移动只限于磁盘片的径向方 向。因此，主轴马达的另一个任务就是在转动时，将磁盘表面的扇区带到磁头下方，让磁 头对该扇区进行数据存取。正是因为它的旋转的速度与扇区送到磁头下方的速度有着绝对 的关系，所以主轴马达的转速与硬盘的性能表现有密不可分的关系。 磁头定位系统的工作过程一般分为两段。首先以最快的速度使磁头由现行磁道移向目 标磁道，在磁头移动过程中，利用速度检测器反馈回来的速度信号，定位系统不断地修正 磁头移动的速度，这个控制过程称作速度控制，简称粗控。当磁头已移动到目标磁道上， 但还没有达到磁道中心位置时，根据反馈来的位置信号，控制磁头定位于磁道中心位置上， 此控制过程称作位置控制，简称精控。利用检测到的速度和位置信号，反馈给定位系统， 使定位系统根据反馈信号调整现行工作状态。控制一移动一反馈一再控制，使整个系统构 成了一个闭合回路。这种伺服定位系统称作闭环控制系统。闭环系统主要用于磁道密度高、 寻道速度快的硬盘中，驱动电机一般采用可以无限小步长运动的音圈电机。闭环系统形式 很多，但其基本原理并没有很大的差别。闭环系统采用双重控制方式，即速度控制与位置 控制。可以用电子开关来切换这两种控制方式，即当道差大于1 时，采用速度控制，否则 采用位置控制。 在磁头定位技术上，已经有人在进行双级控制技术的研究。双级控制的主要思想是在 磁头悬臂上安装一个位移驱动装置，在音圈电机一级粗定位的基础上，再加上一个二级定 位，以实现磁头更精确的定位，二级定位技术不但需要更先进的控制技术，更需要有支持 二级定位的磁头悬臂结构，以及合适的二级驱动器件的设计制造。 山东建筑大学硕士学位论文 硬盘驱动器的音圈电机( v c m ) 的工作原理是根据通过它的电流的大小使线圈移近或 远离永久磁铁，它的移动量取决于通过它的电流的大小，这种方法的精度很高，可以达到 微米级的控制量，但是由于盘片引起的风扰，使传动臂产生微幅振动，读写磁头会偏离磁 道轨迹，所以硬盘磁头悬臂的结构响应模式是目前影响读写精度的主要因素。从9 0 年代开 始，国外一些生产硬盘的大公司如m m ，迈拓，希捷等就开始了在现有的音圈电机一级定 位的基础上，再设计一个驱动器对磁头进行二级定位的研究，实际上就是另外设计一个回 路对传动臂的微幅振动进行控制。 目前对二级定位用的微驱动器的研究主要有三个方案：第一，在弯曲梁或是加载梁的 部位粘贴以压电材料为主的驱动器，这样驱动器会带动整个传动臂一起运动，需要的功率 比较大，且精度不是很高【3 8 ；第二，利用半导体技术在读写磁头和加载梁之间添加驱动器， 这种方法精度比较高，美国希捷公司的m a g m a 微驱动器就是基于这个技术 3 9 】；第三，利 用m e m s 技术在读写磁头内部设计一个微驱动器【4 0 1 ，但是由于驱动器的制作很困难，目前 对它研究已经不是很多。考虑到成本和可实现的难易程度，目前国外学者还是以研究压电 微驱动器为主。 1 3 状态空间理论在结构动力学分析中的应用 近年来，现代控制论中的状态空间理论逐步应用到固体力学、复合材料力学、弹性力 学等力学领域中，使这些学科获得了新的活力和发展前景。在用状态空间法分析系统时， 系统的动态特性是由状态变量构成的一阶微分方程组来描述的，它能反应系统的全部独立 变量的变化，从而能同时确定系统的全部内部运动状态，而且还可以方便地处理初始条件。 这样，在设计控制系统时，不再只局限于输入量、输出量、误差量，为提高系统性能提供 了有力的工具。加之可利用计算机进行分析设计及实时控制，因而可以应用于非线性系统、 时变系统、多输入一多输出系统以及随机过程等。 状态空间理论很早就应用到结构动力特性的研究中了。在求解多自由度阻尼系统( 1 3 维) 的自由振动中，系统的频率需要由二次特征值问题求解，且其特征向量不存在简单的正交 关系，所以对阶数较高的阻尼系统的振动分析带来了困难。当把它引入2 n 维的状态变量的 状态空间中进行求解，问题就简单多了。由此可以解得2 n 个特征值和特征向量。可以证明 这2 n 个特征向量是线性独立的。这就方便了多自由度阻尼系统的分析求解。 把状态空间理论应用于结构的减振控制最能体现利用状态空间理论进行结构动力问题 研究的巨大优势。在这方面的应用，主要是结构的主动控制技术的应用。主动控制是一种 山东建筑大学硕士学位论文 状态反馈控制，该方法可以根据人们的要求来调节结构振动冲击反应等的控制效果，是一 种最有效的控制算法，为动力问题的研究提供了有力的理论工具和广阔的发展前景。 1 4 线性系统动力学建模与模型降阶方法研究现状 动力学建模的目的是为控制系统描述及控制器设计提供依据。建模的困难不仅在于其 结构的庞大和复杂，更在于其是受控物体，要求有高的指向精度、定位精度或精确的形状 控制。这就要求所建立的动力学模型要足够精确，以真实反映结构的动力学特性。同时， ， 模型的阶数又应足够低，以便于计算机进行数值求解，实现其实时控制的要求。 受控对象尤其是大型复杂结构，往往具有很高的阶数，如果直接进行控制的话，控制 器成本随着受控对象阶数增高成几何增加，另一方面，受控对象具有很高的阶数会导致控 制器设计的复杂性显著提高，也出现控制效果难以实现这掌的问题。因此通常希望采用低 阶棱型来代替原受控对象的模型，以减少计算量、简化控制器结构并便于控制算法的实时 实现。其实，研究模型降阶的意义并不仅仅局限子大型复杂系统的设计分析。因为阶次的 降低不但可以减少计算时间和降低控制系统设计的复杂性，还能够对原系统模型的动态性 能有更深刻的了解和认识。 1 4 1 动力学建模方法 按照对结构的不同描述方法，结构动力学建模主要应用的有以下几种： ( 1 ) 有限元法。有限元法其实质是连续弹性体变形的r a y l e i g h r i t z 解法的分片形式。 就是把无限个自由度的连续体理想化为有限个自由度的单元集合体，单元之间在节点处以 铰链相连。由于单元可以无限细分，即精度可以任意逼近真实值，而且便于编制计算机程 序进行计算，因此有限元法得到了广泛应用。目前，有许多实用的有限元分析程序，用有 限元程序可以根据设计图纸建立结构系统的有限元模型，进行结构固有特性分析、响应分 析和设计修改。可是采用有限元法所得动力学方程较为复杂，动态响应求解运算量也较大， 其阶数往往超过了多变量控制设计技术廖j 能提供的设计能力，不能满足复杂系统实时控制 的要求，必须予以降阶。 ( 2 ) 模态分析与综合法。该方法在建立大型复杂结构系统的动力模型时，可以从量级 上大幅度缩减整体结构的自由度。它把大型复杂结构划分为若干个子结构，首先分析研究 每个子结构的动力特性，通过求解自由振动的特征值即可得到动态模态。并保留其低阶主 要模态信息，通过模态分析和模态截幽 技术对动力学方程进行模态变换，用模态坐标代替 节点位移，然后再根扼各子结构交界面的协调关系，组装成整体结构的动力特性。此方法 山东建筑大学硕士学位论文 以r a y l e i g h r i t z 法为基础，用分析较少自由度的整体结构，使得大型复杂结构整体动力特 征问题得以求解。 ( 3 ) 状态空间法。状态空间模型是动态时域模型，以隐含着的时间为自变量。状 态空间模型包括两个模型：一是状态方程模型，反映动态系统在输入变量作用下在某 时刻所转移到的状态；二是输出或量测方程模型，它将系统在某时刻的输出和系统的 状态及输入变量联系起来。 ( 4 ) 集中质量法。用离散节点上的集中质量代替原来系统中的分布质量，即全部质量 都集中各节点上，杆系结构的离散化刚度阵能够直接得出，整个动力方程都能直接通过对 质量的近似离散化处理得到。 1 4 2 动力学模型的降阶 考虑到系统动力学特性与控制特性相互耦合，交互作用的特性，而现有的控制技术只 能实现对低阶模型的控制设计，因此，必须对动力学模型进行降阶。动力学模型的降阶研 究包含两方面的内容：一个内容是模型的离散化，即选择一组合适的模态向量，对原系统的 变形进行模态展开，从而得到一组降阶动力学方程。另一个内容是保留模态的截取。在己 求得模态而应用于模态展开时，为了进一步降低动力学模型的阶数，应在模型中去掉一些 模态，特别是系统中的弱能控和弱能观部分，而剩下的模态仍可使后继分析有必要的精度。 从8 0 年代开始，众多学者便致力于这方面的研究，并提出了一系列选取保留模态的准则， 概括起来主要有以下几种： ( 1 ) 惯性完备性准则 4 1 】- 【4 3 1 。它根据各阶模态质量在总质量中所占的份额和各阶模态惯 矩在总惯矩中所占的份额的大小来决定该阶模态的取舍。惯性完备性准则具有明确的物理 意义，理论发展比较成熟。其正确性和有效性得到了证明和检验。但是，它不能略去系统 中的弱能控和弱能观部分，所能降阶的阶数也是有限的。所以，其适宜于建模初期应用。 ( 2 ) 基于输出响应或传递函数的模态选取准则 棚。包括频率准则、模态影响系数准则、 传递函数准则等。如由传递函数知，可去掉那些频率远高于控制系统带宽的模态。但对于 那些具有低频密集模态的大型结构体，它们接近或处于控制系统带宽，使频率密集准则难 于应用。 ( 3 ) 模态价值分析准则【4 5 i 矧。模态价值分析准则是根据各阶模态的模态价值对系统价 值函数的贡献来决定对该阶模态的取舍。按模态价值的大小对模态进行排列，保留那些价 值高的模态，略去那些价值很低的模态。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 4 ) 基于平衡理论的准则【4 7 】【4 8 1 。把在模态空间描述的系统通过相似变换化为平衡系统， 然后按其输出决定模态的选取。 上述准则有的适用于部件模态选择，有的适用于系统模态选择，或将两者结合起来， 进行保留模态的截取。 1 5 课题的来源、意义和研究内容 1 5 1 课题来源与研究的意义 硬盘驱动器属于永久型存储器，是目前计算机中必不可少的部件之一。随着材料制备 科学和微电子技术的飞速发展，计算机硬盘的容量是越来越大，磁道宽度和磁道间距已经 由最初的1 0 0 u r n 发展到目前的约l u m 。再加上盘片转速的不断提高和磁头的飞行高度的不 断下降，磁头稍因硬盘的振动就会偏离磁道的轨迹，难以快速捕捉磁道上的信号。同时高 速旋转的盘片激起硬盘内部的空气，硬盘传动臂会在空气的外扰下引起振动，使磁头偏离 磁道的轨迹，因而提高计算机硬盘磁头的定位精度和跟踪磁道速度已经成为计算机硬盘容 量日益增长的追切要求。对磁头盘系统的动力学性能的研究的确能降低磁头浮动块的飞行 高度，提高硬盘的容量，但要从提高硬盘的抗振性和定位精度，就要从整体考虑硬盘传动 系统的输入输出特性。随着控制理论的发展，状态空间法越来越多的应用于结构动力学的 分析中来，利用状态空间法柬对硬盘传动系统建模、模型降阶与振动控制，不仅能更好的 分析硬盘的动态特性，对硬盘进行优化设计，更有利于硬盘的振动主动控制和多级控制。 本课题受山东省教育厅科技计划( j 0 7 y a 0 8 ) 和国家自然基金( 5 0 7 7 5 1 3 2 ) 资助。 1 5 2 课题的主要研究内容 硬盘技术的发展对其抗冲击振动性能提出了更高的要求。为了改善